一种宽带组网波形的SDR平台实现

张 玲， 敖 佳， 蒋秦芹

（①保密通信重点实验室，四川 成都 610041；②中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

联合战术无线电系统 (JTRS,Joint Tactical Radio System)是美国国防部在软件无线电基础上，为三军研发的新一代无线电系统。可为空中、地面、海上部队提供2 MHz～2 GHz频段的话音、视频和数据通信业务。未来的应用中，利用软件通信体系结构(SCA,Software Communications Architechture)平台实现波形，即可达到联合作战电台互通要求。

在JTRS所包括40多种波形中，宽带组网波形(WNW，Wideband Networking Waveform)编号 W5尤其引人关注。WNW 的波形技术体制的先进性将引领数据链波形建设的发展。

为对美军JTRS系统以及WNW波形进行深入分析，掌握其波形特征和技术体制，本文在参考WNW波形的基础上，在SFF SDR软件无线电开发平台上，以MATLAB/Simulink软件为主要开发工具实现了一种基于正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplex）模式的宽带组网波形。给出了波形仿真与实现结果，以期对美军WNW波形研究起到借鉴作用。

1 WNW波形介绍

WNW是一种新的波形协议标准，可实现话音、数据、视频一体化无缝传递。具有针对战场恶劣条件而设计的自适应宽带数据传输能力，支持不低于2 Mb/s网络吞吐量，预计达到5 Mb/s的端对端吞吐量，通信频段范围2 MHz～2 GHz。WNW网络的设计支持与地面和海上移动平台间的连接及地面与海上平台之间的通信连接，平台移动速度大于 193.116 km/h。

WNW波形利用Reed-Solomon码和Turbo-Code码前向纠错技术，采用了单/多载波、纠错编码(联合编码)、OFDM、交织、时分多址接入（TDMA, Time Division Multiple Address）、扩频等关键技术。

2 波形设计

美军 JTRS波形的标准尚未公开，但许多波形与802.X系列的组网波形（如802.11、802.16）相类似[1-2]。参照美军WNW波形的OFDM模式，宽带波形具体参数设计如表1所示，物理层帧格式参考802.11a 协议[3]。

表1 宽带波形具体参数设计

3 波形仿真与实现

3.1 开发平台

Lyrtech公司的 SFF SDR平台整体框架如图1所示。由3层板卡组成，分别为信号处理模块，数模转换模块与射频模块。其中，信号处理模块包括型号为DM6446的DSP和Virtex-4 SX35的FPGA，DSP与FPGA通过VPSS(VPFE和VPBE) 接口连接。数模转换模块包括 TI公司 16位双通道的DAC5687和14位单通道的ADS5500，信号处理模块的FPGA与数模转换模块相连。射频模块包括一对SMA接口的射频天线负责数据收发，与数模转换模块相连。

波形逻辑的开发，以MATLAB/Simulink为主要的开发工具。对于SCA兼容组件的开发，主要是采用PRISMTECH公司的SPECTRA POWER TOOLS软件进行SCA兼容组件模型设计，它将逻辑模型生成的代码封装成与SCA兼容的组件。

3.2 MATLAB/Simulink建模

结合802.11a协议中关于OFDM技术的基带调制算法描述，将收发系统按照模块划分如图2所示。利用MATLAB的 Simulink模块库所带的基础模块，通过相应的组合与连接，封装成子系统以实现各模块功能，建模实现如图3所示。

数据处理由DSP与FPGA分工完成。在DSP部分完成信号的编码、交织、QPSK调制映射以及导频插入功能，在FPGA部分完成成形滤波、OFDM、上采样、D/A转换及相反过程。单平台收发数据采用VPFE与VPBE模块作为DSP与FPGA之间的交互接口，当采用多平台进行传输时，使用前向接口VPBE或后置接口VPFE。

4 仿真及性能

4.1 帧信号的检测

帧信号的检测依靠前十个时域训练序列，采用两个相关量来检测信号。第1个相关量为将接收的信号和延迟一个短前导字长度即0.8μs的本身进行相关：

第2个相关量为将接收的信号和本地已知的短前导字序列相关：

其中，N是短前导字的样值点数16，假设r（i）为单倍采样后的信号，c(n)为本地已知的前导字序列。采用横向滤波器进行相关。

仿真结果如图4所示。SNR=0时，超过设定的相对门限0.5，且连续观测十个符号周期，统计超过门限的相关峰数目。可见，有10个峰值都超过门限概率为0.9，有9个峰值超过门限一个没有的概率为0.1。经仿真各信噪比下的峰值概率情况，曲线与上图重合。判定连续2个超过门限即可认为信号序列到来。

4.2 频偏估计

频偏估计分为粗频偏估计和细频偏估计。采用10个短前导字序列的最后两个进行粗频偏估计[4]。项目中设置频偏为200 kHz＝0.53个子载波间隔时，子载波粗估计后相对子载波间隔归一化后的频偏与 SNR关系如图5。可见，高斯信道下粗频偏估计之后的残留频偏在信噪比大于等于5时小于8%子载波间隔。

细频偏估计采用文献[4]中提出的路径延时估计算法。它在初始符号同步的基础上，估计多径信道中第一径的延时，将同步误差控制在一个OFDM采样时钟间隔内，从而使得后续的采样时钟同步的反馈环路能够锁定在第一径上。使用64点训练序列进行频偏估计 0.5子载波的频偏偏差剩余频偏与信噪比的关系如图6所示。

图5 粗频偏估计性能曲线

图6 细频偏估计性能曲线

4.3 系统性能

高斯信道下，系统性能曲线如图 7所示，其中1/2卷积码采用生成多项式为（171,133）的（2,1,7）卷积码。

4.4 业务实现

测试环境由3个节点构成，SFF SDR平台实现宽带组网波形物理信道，PC机实现了组网协议和数传业务。图8为组网后PC机主控程序收到的数据显示。

图8 组网后PC机主控程序收到的数据显示

5 结语

本文在参考 WNW 波形的基础上，基于 SFF SDR软件无线电开发平台，以 MATLAB/Simulink为主要的开发工具实现了一种基于OFDM模式的宽带组网波形，实现了数据传输业务，为研究美军WNW波形起到借鉴作用。下一步将着重于宽带波形在更先进SDR平台上的实现。[1] KEVIN M. Mapping Waveforms to Systems: What Would a Wildband Networking Waveform System Require?[J].Military embedded systems, 2005(10): 38-41.

[2] 周先军,周丹,李利荣,等. IEEE 802标准分析[J].通信技术，2009,42 (07):262-264.

[3] 陈月云,丁青子,邓晓辉. 一种基于 IEEE 802.11a的PHY-MAC跨层设计[J]. 通信技术, 2009,42(08):238-240.

[4] YANG Baoguo, LETAIEF K B, CHENG R S, et al.Timing Recovery for OFDM Transmission[J].IEEE Journal on Selected Areas in Commu, 2000(18):2278-2291.